Как влияют легирующие элементы на свойства стали?

Влияние химических элементов на свойства стали.

Каталог
Наш Instagram

Влияние хим. элементов на свойства стали.

Условные обозначения химических элементов:

хром ( Cr ) — Х
никель ( Ni ) — Н
молибден ( Mo ) — М
титан ( Ti ) — Т
медь ( Cu ) — Д
ванадий ( V ) — Ф
вольфрам ( W ) — В
азот ( N ) — А
алюминий ( Аl ) — Ю
бериллий ( Be ) — Л
бор ( B ) — Р
висмут ( Вi ) — Ви
галлий ( Ga ) — Гл
иридий ( Ir ) — И
кадмий ( Cd ) — Кд
кобальт ( Co ) — К
кремний ( Si ) — C
магний ( Mg ) — Ш
марганец ( Mn ) — Г
свинец ( Pb ) — АС
ниобий ( Nb) — Б
селен ( Se ) — Е
углерод ( C ) — У
фосфор ( P ) — П
цирконий ( Zr ) — Ц

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СТАЛЬ И ЕЕ СВОЙСТВА

Углерод — находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом. С увеличением содержания углерода до 1,2% твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость ухудшается, ухудшается и свариваемость.

Кремний — если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает.(Полезная примесь; вводят в качестве активного раскислителя и остается в стали в кол-ве 0,4%)

Марганец — как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. (Полезная примесь; вводят в сталь для раскисления и остается в ней в кол-ве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Сера — является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение сообщает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, — свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость. В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%. ( От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды MnS).

Фосфор — также является вредной примесью. Снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

Хром (Х) — наиболее дешевый и распространенный элемент. Он повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Никель (Н) — сообщает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, оказывает влияние на изменение коэффициента теплового расширения. Никель – дорогой металл, его стараются заменить более дешевым.

Вольфрам (В) — образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске. Это дорогой и дефицитный металл.

Ванадий (Ф) — повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем, он дорог и дефицитен.

Кремний (С)- в количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1,5% Si увеличивает прочность, при этом вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.

Марганец (Г) — при содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.

Кобальт (К) — повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Молибден (М) — увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан (Т) — повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

Ниобий (Б) — улучшает кислостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Алюминий (Ю) — повышает жаростойкость и окалиностойкость.

Медь (Д) — увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.

Церий — повышает прочность и особенно пластичность.

Цирконий (Ц) — оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

Лантан, цезий, неодим — уменьшают пористость, способствуют уменьшению содержания серы в стали, улучшают качество поверхности, измельчают зерно.

Влияние легирующих элементов на свойства стали. Виды, марки и назначение сталей

Сталь – один из самых востребованных материалов в мире сегодня. Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас окружают в повседневной жизни. Вместе с тем, этот сплав железа с углеродом бывает достаточно различным, потому в данной статье будет рассмотрено влияние легирующих элементов на свойства стали, а также ее виды, марки и предназначение.

Общая информация

Сегодня многие марки стали широко применяются практически в любой сфере жизнедеятельности человека. Это во многом объясняется тем, что в этом сплаве оптимально сочетается целый комплекс механических, физико-химических и технологических свойств, которые не имеют какие-либо другие материалы. Процесс выплавки стали непрерывно совершенствуется и потому ее свойства и качество позволяют получить требуемые показатели работы получаемых в итоге механизмов, деталей и машин.

Классификация по назначению

Каждая сталь в зависимости от того, для чего она создана, в обязательном порядке может быть причислена в одну из следующих категорий:

  • Конструкционная.
  • Инструментальная.
  • Специального назначения с особыми свойствами.

Самый многочисленный класс – это конструкционные стали, разработанные для создания разнообразных строительных конструкций, приборов, машин. Конструкционные марки разделяются на улучшаемые, цементуемые, пружинно-рессорные, высокопрочные.

Инструментальные стали дифференцируют в зависимости от того, для какого инструмента они производятся: режущего, измерительного и т. д. Само собой, что влияние легирующих элементов на свойства стали этой группы также велико.

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

  • Нержавеющие (они же коррозионностойкие).
  • Жаропрочные.
  • Жаростойкие.
  • Электротехнические.

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

  • Углеродистые марки стали.
  • Легированные.

При этом обе эти группы дополнительно разделяются еще и по количеству содержащегося в них углерода на:

  • Низкоуглеродистые (карбона менее 0,3%).
  • Среднеуглеродистые (концентрация карбона равно 0,3 – 0,7 %).
  • Высокоуглеродистые (карбона более 0,7%).

Что такое легированная сталь?

Под этим определением следует понимать стали, в которых содержатся, параллельно с постоянными примесями, еще и добавки, внедряемые в структуру сплава, с целью увеличения механических свойств полученного в конечном счете материла.

Несколько слов о качестве стали

Этот параметр данного сплава подразумевает под собой совокупность свойств, которые, в свою очередь, обуславливаются непосредственно процессом его производства. К подобным характеристикам, которым подчиняются и легированные инструментальные стали, относятся:

  • Химический состав.
  • Однородность структуры.
  • Технологичность.
  • Механические свойства.

Качество любой стали напрямую зависит от того, сколько содержится в ней кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Также не последнюю роль играет и метод получения стали. Самым точным с точки зрения попадния в требуемый диапазон примесей является сопособ выплавки стали в электропечах.

Легированная сталь и изменение ее свойств

Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.

Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:

  • Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
  • Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.

Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Расшифровка

Содержание легирующих элементов в стали можно определить по ее маркировке. Каждая из таких вводимых в сплав составляющих имеет своё буквенное обозначение. Например:

  • Хром – Cr.
  • Ванадий –V.
  • Марганец –Mn.
  • Ниобий – Nb.
  • Вольфрам –W.
  • Титан – Ti.

Иногда в начале индекса марки стали стоят буквы. Каждая из них несет особый смысл. В частности, буква «Р» означает, что сталь является быстрорежущей, «Ш» сигнализирует, что сталь шарикоподшипниковая, «А» – автоматная, «Э» – электротехническая и т. д. Высококачественные стали имеют в своем цифро-буквенном обозначении в конце литеру «А», а особо качественные содержат в самом конце маркировки букву «Ш».

Воздействие легирующих элементов

В первую очередь следует сказать, что основополагающее влияние на свойства стали оказывает углерод. Именно этот элемент обеспечивает с повышением своей концентрации увеличение прочности и твердости при снижении вязкости и пластичности. Кроме того, повышенная концентрация углерода гарантирует ухудшение обрабатываемости резанием.

Содержание хрома в стали напрямую влияет на ее коррозионную стойкость. Этот химический элемент формирует на поверхности сплава в агрессивной окислительной среде тонкую защитную оксидную пленку. Однако для достижения такого эффекта в стали хрома должно быть не менее 11,7%.

Особого внимания заслуживает алюминий. Его применяют в процессе легирования стали для удаления кислорода и азота после ее продувки, дабы поспособствовать уменьшению старения сплава. Кроме того, алюминий значительно повышает ударную вязкость и текучесть, нейтрализует крайне вредное влияние фосфора.

Ванадий – это особый легирующий элемент, благодаря которому легированные инструментальные стали получают высокую твёрдость и прочность. При этом в сплаве уменьшается зерно и повышается плотность.

Легированная сталь, марки которой содержат вольфрам, наделена высокой твёрдостью и красностойкостью. Вольфрам хорош также и тем, что он полностью устраняет хрупкость во время запланированного отпуска сплава.

Для увеличения жаропрочности, магнитных свойств и сопротивления значительным ударным нагрузкам сталь легируют кобальтом. А вот одним из тех элементов, который не оказывает какого-либо существенного влияния на сталь, является кремний. Однако в тех марках стали, которые предназначены для сварных металлоконструкций, концентрация кремния должна быть обязательно в пределах 0,12-0,25 %.

Значительно повышает механические свойства стали магний. Его также используют в качестве десульфуратора в случае использования внедоменной десульфурации чугуна.

Низколегированная сталь (марки ее содержат легирующих элементов менее 2,5%) очень часто содержит марганец, что обеспечивает ей непременное увеличение твердости, износоустойчивости при сохранении оптимальной пластичности. Но при этом концентрация этого элемента должна быть более 1%, иначе не получится достигнуть указанных свойств.

Углеродистые марки стали, выплавляемые для различных масштабных строительных конструкций, содержат в себе медь, которая обеспечивает максимальные антикоррозионные свойства.

Для увеличения красностойкости, упругости, предела прочности при растяжении и стойкости к коррозии в сталь обязательно вводят молибден, который также еще и повышает сопротивление окислению металла при нагреве до высоких температурных показателей. В свою очередь церий и неодим применяются для снижения пористости сплава.

Рассматривая влияние легирующих элементов на свойства стали, нельзя обойти вниманием и никель. Данный металл позволяет стали получить превосходную прокаливаемость и прочность, повысить пластичность и ударопрочность и понизить предел хладноломкости.

Очень широко используется в качестве легирующей добавки и ниобий. Его концентрация, в 6-10 раз превышающая количество обязательно присутсвтующего углерода в сплаве, позволяет устранить межкристаллитную коррозию нержавеющей марки стали и предохраняет сварные швы от крайне нежелательного разрушения.

Титан позволяет получить самые оптимальные показатели прочности и пластичности, а также улучшить коррозионную стойкость. Те стали, которые содержит эту добавку, очень хорошо подвергаются обработке различным инструментом специального назначения на современных металлорежущих станках.

Введение в стальной сплав циркония дает возможность получить требуемую зернистость и при необходимости оказывать влияние именно на рост зерна.

Случайные примеси

Крайне нежелательными элементами, которые очень негативно сказываются на качестве стали, являются мышьяк, олово, сурьма. Их появление в сплаве всегда приводит к тому, сталь становится очень хрупкой по границам своих зерен, что особенно заметно при смотке стальных лент и в процессе отжига низкоуглеродистых марок сталей.

Заключение

В наше время влияние легирующих элементов на свойства стали довольно хорошо изучено. Специалисты тщательно провели анализ воздействия каждой добавки в сплаве. Полученные теоретические знания позволяют металлургам уже на этапе оформления заказа сформировать принципиальную схему выплавки стали, определиться с технологией и количеством требуемых расходных материалов (руды, концентрата, окатышей, присадок и прочего). Наиболее часто сталеплавильщики использую хром, ванадий, кобальт и другие легирующие элементы, которые являются достаточно дорогостоящими.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

объяснение природы волокнистого излома не учитывает всех условий его получения.

Таким образом, из приведенных данных видно, что существуют различные представления о причинах, вызывающих появление кристаллического и волокнистого излома. К этому следует добавить, что отдельные авторы склонны приписывать стали с волокнистым изломом какие-то неизвестные свойства. Например, С. И. Сахин считает, что «волокнистый излом характеризует сочетание ряда еще не выясненных физических и механических свойств, в числе которых находится ударная вязкость». По нашему мнению, волокнистый излом не характеризует в действительности каких-то неизвестных механических свойств, а указывает на хорошую ударную вязкость и с некоторой достоверностью свидетельствует о повышенном запасе вязкости стали, т. е. ее малой склонности к хрупкому разрушению под влиянием изменения физических и геометрических параметров и, в частности, вероятно, под влиянием надрезов. Соответственно, получение волокнистого излома связано с соблюдением комплекса всех тех условий, которые необходимы для достижения высокой ударной вязкости и достаточного запаса вязких свойств, а не только отдельных из этих условий, как неточно полагает ряд исследователей, связывающих возникновение волокнистого излома с каким-либо одним фактором.

В то же время несоблюдение только одного из этих условий может оказаться достаточным для того, чтобы получение волокнистого излома у конструкционной стали было исключено.

Какие же в действительности условия оказываются минимально достаточными для получения волокнистого излома конструкционной стали при удовлетворительном ее металлургическом качестве?

В нелегированной стали, содержащей примерно 0,15% С и менее, в связи с незначительным количеством карбидной фазы волокнистый излом может быть получен в результате любой термической обработки, позволяющей достигнуть эффективного измельчения ферритного зерна.

В легированной стали с низким содержанием углерода в большинстве случаев (исключение представляют чисто никелевые стали, содержащие примерно 2—4% Ni) путем простого отжига или нормализации не удается получить волокнистого строения в изломе, и для этой цели необходима комбинированная обработка, например, нормализация или закалка с последующим высоким отпуском. Последнее, вероятно, объясняется эффектом упрочнения феррита и, возможно, тем, что под влиянием введенных элементов вследствие смещения эвтектоидной концентрации, обычно в сторону меньших значений, количество карбидной фазы в стали (при равном содержании углерода с нелегированной сталью)

оказывается большим. Разумеется, что увеличение карбидной фазы будет отрицательно сказываться на вязких свойствах стали. Отсюда возникает задача — придать этой фазе более рациональную, глобулярную форму, вместо пластинчатой, что достигается только комбинированной обработкой.

С другой стороны, присутствие в феррите растворенных элементов, за исключением никеля и меди, приводит к потере его вязкости, которая также должна быть компенсирована за счет других структурных факторов — равномерности распределения карбидов и уже отмеченной их глобулярной формы. Очевидно, что получить путем простого отжига структуру стали с равномерным распределением карбидов, к тому же глобулярной формы, невозможно. Такая структура не достигается также путем нормализации, тем более, что в этом случае в легированной стали вероятно возникновение неравновесных состояний. Только при очень низком содержании углерода (менее 0,1%) и незначительном количестве легирующих элементов можно иногда наблюдать у отожженной легированной стали волокнистый излом, особенно в тех случаях, когда ее основным легирующим элементом является никель.

Труднее достигается получение волокнистого излома в конструкционной улучшаемой стали с нормальным содержанием углерода (0,2—0,5%), причем затруднения возрастают по мере увеличения в стали углерода. В этом случае необходима мобилизация всех металлургических возможностей для того, чтобы придать стали достаточную для обеспечения волокнистого излома вязкость. Можно указать, по крайней мере, шесть условий, при соблюдении которых можно получить необходимую вязкость:

1. Карбидная составляющая должна быть равномерно распределена и иметь глобулярную, а не пластинчатую форму. Из этого условия вытекает необходимость, во-первых, термического улучшения и, во-вторых, уверенной прокаливаемости стали в заданных сечениях. В процессе закалки нельзя допускать образования продуктов диффузионного перлитного превращения переохлажденного аустенита и, вероятно, значительного количества игольчатого, особенно верхнего троостита. Это положение, повидимому, можно объяснить тем, что если исходная структура содержит указанные продукты диффузионного распада аустенита, то при высоком отпуске не достигается равномерное распределение карбидов и, вероятно, не обеспечивается оптимальная их форма.

2. Карбиды должны иметь средние размеры не менее некоторого «критического значения», зависящего от ряда факторов, но, в первую очередь, от количества углерода в стали. Из этого условия вытекает необходимость высокого отпуска при температурах, которые обеспечивают доведение средних размеров карбидов до

«критического значения», причем чем больше в стали карбидной фазы, чем менее благоприятны другие факторы, влияющие на вязкость стали (степень прокаливаемости, пластичность ферритной основы и т. п.), тем выше должна быть температура высокого отпуска для получения волокнистого излома.

3. Ферритная основа термически улучшенной стали должна иметь мелкозернистое строение. Опыт неизменно показывает, что хотя закалка с высоких температур нагрева и позволяет иногда получить удовлетворительную ударную вязкость термически улучшенной стали при комнатных температурах испытания, однако в случае выявления запаса вязкости путем проведения серийных испытаний при отрицательных температурах вредные последствия перегрева всегда вскрываются весьма четко. Это означает, что закалка термически улучшаемой стали с применением завышенных температур нагрева сопровождается понижением «устойчивости» волокнистого излома, о которой говорилось выше.

4. Ферритная основа термически улучшаемой стали должна быть легирована элементами, не снижающими существенно ее вязкости. С этой точки зрения, нежелательно введение в сталь повышенного количества кремния, а также марганца.

5. Сталь не должна иметь сильно развитой восприимчивости к отпускной хрупкости, в противном случае вместо волокнистого излома возможно получение кристаллического, особенно если обрабатываемые изделия имеют повышенную толщину и охлаждение в воде не является достаточным средством для устранения процессов, вызывающих появление отпускной хрупкости. Отсюда, в частности, вытекает также необходимость минимального содержания в стали фосфора и пониженного содержания марганца.

6. Сталь должна обладать высоким металлургическим качеством и не иметь резко развитой дендритной ликвации.

Разумеется, что чем выше в стали содержание углерода и чем значительнее толщина обрабатываемых изделий, тем более жестко должны соблюдаться перечисленные условия.

4. Сухой волокнистый излом

Сухим волокнистым называется светлосерый излом (рис.216), характеризующийся отсутствием металлического блеска. От обычного волокнистого излома, свойственного термически улучшенной стали, сухой волокнистый излом отличается, во-первых, цветом и, во-вторых, утяжкой. Волокнистый излом имеет темносерый цвет, а сухой волокнистый — светлосерый. У волокнистого излома по наружному его контуру наблюдается значительная вытяжка («утяжка») металла, свидетельствующая о большой его пластичности; у сухого волокнистого излома эта вытяжка металла выражена несравненно слабее и во многих случаях почти отсут

ствует. Именно потому указанный излом называется сухим; это подчеркивает малую пластичность металла.

Волокнистым этот излом называется потому, что поверхность его, как и обычного, нормального волокнистого излома, при рассмотрении невооруженным глазом не обнаруживает зернистого сложения. Только под лупой или при искусственном сильном

освещении, под влиянием которого блеск излома обычно усиливается, можно заметить, что сухой волокнистый излом имеет слегка блестящий вид и слабо выраженное мелкозернистое сложение. Иногда сухой волокнистый излом называют также аморфным.

Практически сухой волокнистый излом наблюдается у конструкционной стали только после ее закалки на мартенсит или на низкотем пературный игольчатый троостит, а также у низкоотпущенной стали. Это строение излома достигается в том случае, если закалка осуществлялась с температур нагрева, отвечающих мелкозернистому аустениту. Если же при закалке был допущен перегрев и зерно аустенита укрупнилось, излом закаленной конструкционной стали вместо сухого волокнистого становится кристаллическим.

Аналогичное строение имеет излом и в тех случаях, когда при закалке стали скорость охлаждения оказалась недостаточной и переохлажденный аустенит распался частично или полностью в верхних температурных районах. По этой причине при недостаточной прокаливаемости стали в заданных сечениях, наряду с сухим волокнистым строением в наружных слоях, в центральных слоях всегда наблюдается в той или иной мере выраженное кристаллическое строение.

Как показали В. Д. Садовский и Г. Н. Богачева, нормально закаленная сталь с сухим волокнистым строением в изломе после отпуска в районе температур возникновения необратимой хрупкости приобретает кристаллическое строение; отпуск ниже района развития хрупкости, т. е. нормальный низкий отпуск (150—250°), не изменяет строения излома.

Таким образом, сухой волокнистый излом является признаком правильно проведенной закалки и низкого отпуска и свидетельствует о достаточной прокаливаемости стали в рассматриваемом сечении.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Легированные стали: классификация и маркировка

Легированная сталь — это сталь, содержащая специальные легирующие добавки, которые позволяют в значительной степени менять ряд ее механических и физических свойств. В данной статье мы разберемся, что из себя представляет классификация легированных сталей, а также рассмотрим их маркировку.

Круглый прокат из легированной стали

Классификация легированных сталей

По содержанию в составе стали углерода идет разделение на:

  1. низкоуглеродистые стали (до 0,25% углерода);
  2. среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода);
  3. высокоуглеродистые стали (более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех категорий:

  1. низколегированная (не более 2,5%);
  2. среднелегированная (не более 10%);
  3. высоколегированная (от 10% до 50%).

Свойства, которыми обладают легированные стали, определяет и их внутренняя структура. Поэтому признаку классификация легированных сталей подразумевает разделение на следующие классы:

  1. доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;
  2. эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;
  3. заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;
  4. ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

По своему практическому применению легированные конструкционные стали могут быть: конструкционные (подразделяются на машиностроительные или строительные), инструментальные, а также стали с особыми свойствами.

Назначение конструкционных легированных сталей:

  • Машиностроительные — служат для производства деталей всевозможных механизмов, корпусных конструкции и тому подобного. Отличаются тем, что в подавляющем большинстве случаев проходят термическую обработку.
  • Строительные — чаще всего используются при изготовлении сварных металлоконструкций и термической обработке подвергаются в редких случаях.

Классификация машиностроительных легированных сталей выглядит следующим образом.

  • Жаропрочные стали активно используются для производства деталей, предназначенных для работы в сфере энергетики (например, комплектующие паровых турбин), а также из них делают особо ответственный крепеж. В качестве легирующих добавок в них используют хром, молибден, ванадий. Жаропрочные относятся к среднеуглеродистым, среднелегированным, перлитным сталям.
  • Улучшаемые (из категорий среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, при производстве которых используют закалку, применяются для изготовления сильно нагруженных деталей, испытывающих нагрузки переменного характера. Отличаются чувствительностью к концентрации напряжения в рабочей детали.
  • Цементуемые (из категорий низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных) стали, как можно понять по названию, подвергаются цементации и следующей после нее закалке. Их применяют для изготовления всевозможных шестерен, валов и других похожих по назначению деталей.

Зависимость толщины цементованного слоя от температуры и времени обработки

Классификация строительных легированных сталей подразумевает их разделение на следующие виды:

  • Массовая — низколегированные стали в виде труб, фасонного и листового проката.
  • Мостостроительная — для автомобильных и ж/д мостов.
  • Судостроительная хладостойкая, нормальная и повышенной прочности — хорошо противостоит хрупкому разрушению.
  • Судостроительная хладостойкая высокой прочности — для сварных конструкций, которым предстоит работать в условиях низких температур.
  • Для горячей воды и пара — допускается рабочая температура до 600 градусов.
  • Низкоопущенные высокой прочности — применяются в авиации, чувствительны к концентрации напряжений.
  • Повышенной прочности с применением карбонитритного упрочнения, создающим мелкозернистую структуру стали.
  • Высокой прочности с применением карбонитритного упрочнения.
  • Упрочненные прокаткой при температуре 700-850 градусов.

Применение инструментальных легированных сталей

Инструментальная легированная сталь широко используется при производстве разнообразного инструмента. Но помимо явного превосходства над углеродистой сталью в плане твердости и прочности, у легированной стали есть и слабая сторона — более высокая хрупкость. Поэтому для инструмента, который активно подвергается ударным нагрузкам, такие стали не всегда подходят. Тем не менее при производстве огромного перечня режущего, ударно-штампового, измерительного и прочего инструмента именно инструментальные легированные стали остаются незаменимыми.

Отдельно можно отметить быстрорежущую сталь, отличительными особенностями которой являются крайне высокая твердость и красностойкость до температуры 600 градусов. Такая сталь способна выдерживать нагрев при высокой скорости резания, что позволяет увеличить скорость работы металлообрабатывающего оборудования и продлить срок его службы.

К отдельной категории относятся легированные конструкционные стали, наделенные особыми свойствами: нержавеющие, с улучшенными электрическими и магнитными характеристиками. От того, какие элементы, а также в каких количествах преимущественно содержатся в них, они могут быть хромистыми, никелевыми, хромоникельмолибденовыми. Также они делятся на трех-, четырех- и более компонентные по числу содержащихся в них легирующих добавок.

Легирующие элементы и их влияние на свойства сталей

Маркировка легированных сталей указывает на то, какие добавки в ней содержатся, а также на их количественное значение. Но также важно знать и то, какое именно влияние на свойства металла оказывает каждый из этих элементов в отдельности.

Добавка хрома увеличивает коррозионную стойкость, повышает прочность и твердость, является основным компонентом при создании нержавеющей стали.

Добавление никеля повышает пластичность, вязкость стали и коррозионную стойкость.

Титан уменьшает зернистость внутренней структуры, повышая прочность и плотность, улучшает обрабатываемость и коррозионную стойкость.

Присутствие ванадия уменьшает зернистость внутренней структуры, что повышает текучесть и порог прочности на разрыв.

Добавка молибдена дает возможность улучшить прокаливаемость, повысить коррозионную устойчивость и снизить хрупкость.

Вольфрам повышает твердость, не дает зернам увеличиваться при нагреве и снижает хрупкость при отпуске.

При содержании до 1-15% кремний повышает прочность, сохраняя вязкость. При увеличении процента содержания кремния повышается магнитопроницаемость и электросопротивление. Также данный элемент увеличивает упругость, стойкость к коррозии и сопротивляемость к окислению, но также повышает хрупкость.

Введение кобальта увеличивает ударопрочность и жаропрочность.

Добавление алюминия способствует повышению окалиностойкости.

Таблица назначения некоторых видов стали

Отдельно стоит упомянуть примеси и их влияние на свойства сталей. Любая сталь всегда содержит технологические примеси, так как полностью удалить их из состава стали чрезвычайно трудно. К такого рода примесям относятся углерод, серу, марганец, кремний, фосфор, азот и кислород.

Оказывает на свойства стали очень значительное влияние. Если его содержится до 1,2%, то углерод способствует повышению твердости, прочности, предела текучести металла. Превышение указанного значения способствует тому, что начинает значительно ухудшаться не только прочность, но и пластичность.

Если количество марганца не превышает 0,8%, то он считается технологической примесью. Он призван повысить степень раскисления, а также противостоять негативному влиянию серы на сталь.

При превышении содержания серы выше 0,65% механические свойства стали существенно снижаются, речь идет об уменьшении уровня пластичности, коррозионной стойкости, ударной вязкости. Также высокое содержание серы негативно влияет на свариваемость стали.

Даже незначительное превышение содержания фосфора выше необходимого уровня чревато повышением хрупкости и текучести, а также снижением вязкости и пластичности стали.

Азот и кислород

При превышении определенных количественных значений в составе стали вкрапления данных газов повышают хрупкость, а также способствуют понижению ее выносливости и вязкости.

Слишком большое содержание водорода в стали ведет к увеличению ее хрупкости.

Маркировка легированных сталей

К категории легированных относится большое разнообразие сталей, что и вызвало необходимость в систематизации их буквенно-цифрового обозначения. Требования к их маркировке оговаривает ГОСТ 4543-71, согласно которому сплавы, наделенные особыми свойствами, обозначаются маркировкой, где на первой позиции стоит буква. По этой букве как раз и можно определить, что сталь по своим свойствам относится к определенной группе.

Пример расшифровки маркировки легированной стали

Так, если маркировка легированных сталей начинается с букв «Ж», «Х» или «Е» — перед нами сплав нержавеющей, хромистой или магнитной группы. Сталь, которая относится к нержавеющей хромоникелевой группе, обозначается буквой «Я» в ее маркировке. Сплавы, относящиеся к категории шарикоподшипниковых и быстрорежущих инструментальных, обозначаются буквами «Ш» и «Р».

Стали, относящиеся к легированным, могут принадлежать к категории высококачественных, а также особо высококачественных. В таких случаях в конце их марки ставится буква «А» или «Ш» соответственно. Стали, которые обладают обычным качеством, таких обозначений в своей маркировке не имеют. Специальное обозначение также имеют сплавы, которые получены прокатным методом. В таком случае в маркировке присутствует буква «Н» (нагартованный прокат) или «ТО» (термически обработанный прокат).

Точный химический состав любой легированной стали можно посмотреть в нормативных документах и справочной литературе, но получить такую информацию позволяет и умение разбираться в ее маркировке. Первая цифра позволяет понять, сколько углерода (в сотых долях процента) содержит легированная сталь. После этой цифры в марке перечисляются буквенные обозначения легирующих элементов, которые содержатся дополнительно.

Обозначение легирующих элементов в маркировке стали

После каждой такой буквы проставляется количественное содержание указанного элемента. Выражается это содержание в целых долях. После буквы, обозначающей элемент, может не стоять никакой цифры. Означает это то, что его содержание в стали не превышает 1,5%. Государственный стандарт 4543-71 регламентирует обозначение легирующих добавок, входящих в состав легированной стали: А — Азот, Б — Ниобий, В —Вольфрам, Г — Марганец, Д — Медь, К — Кобальт, М — Молибден, Н — Никель, П — Фосфор, Р — Бор, С — Кремний, Т — Титан, Ц — Цирконий, Ф — Ванадий, Х — Хром, Ю — Алюминий.

Использование легированных сталей

Сегодня сложно найти сферу жизни и деятельности, в которых бы не использовалась легированная сталь. Из инструментальных и конструкционных сталей производится практически любой инструмент: резцы, фрезы, штампы, измерительные устройства, шестерни, пружины, подвески, растяжки и многое другое. Нержавеющие легированные стали активно используются и в быту, из них изготавливают посуду, корпуса и другие элементы многих видов бытовой техники.

Легированные стали по причине их высокой стоимости используются только для производства самых ответственных конструкций и деталей, где изделия из других металлов просто не смогут выполнить возложенные на них задачи.

Влияние основных легирующих элементов на свойства стали.

Влияние отдельных компонентов на свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15. 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты — легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик — таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% — красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

  • Mn,Si,Cr,B;
  • Ni,Mo;
  • V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

  • влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
  • образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)7С3; (Сг,Ре)23С6; Мо2С и др.;
  • образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом — 7Мо6; Fe3Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

  • элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
  • элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.
Карбидообразующие элементы: Fe — Mn — Cr — Mo — W — Nb — V — Zr — Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe7Mo6, Fe3Nb2 и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

В следующей таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.